中國科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)量子體系高階非平衡拓?fù)湎?/h1>

王敏/中國科學(xué)報(bào)

2025-12-01 08:33

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明等與山西大學(xué)教授梅鋒等合作，基于可編程超導(dǎo)量子處理器“祖沖之二號”，首次在量子體系中實(shí)現(xiàn)并探測了高階非平衡拓?fù)湎唷＿@一成果標(biāo)志著量子模擬在探索復(fù)雜拓?fù)湮飸B(tài)方向上取得重要突破，為利用超導(dǎo)量子處理器在量子模擬問題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。

拓?fù)湎嗍墙陙砟蹜B(tài)物理與量子模擬領(lǐng)域的重要研究方向。與傳統(tǒng)拓?fù)湎嗖煌唠A拓?fù)湎嘣诟途S度的邊界上出現(xiàn)了局域態(tài)，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的體-邊對應(yīng)關(guān)系。盡管人們在經(jīng)典超材料中已實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗟膶?shí)驗(yàn)，但在量子體系中實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嘁恢笔菄H前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗖粌H有助于揭示拓?fù)湮飸B(tài)的量子本質(zhì)，還為基于非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了潛在實(shí)現(xiàn)途徑。

高階拓?fù)湮飸B(tài)作為該領(lǐng)域近年來的重要進(jìn)展，從根本上深化了拓?fù)潴w-邊對應(yīng)原理，揭示出拓?fù)浔Ｗo(hù)現(xiàn)象可存在于維度更低的嵌套邊界中，例如零維拓?fù)浣悄?/p>

拓?fù)湮飸B(tài)的研究正從平衡體系向非平衡體系拓展，成為凝聚態(tài)物理的重要前沿方向。非平衡拓?fù)湎啾憩F(xiàn)出平衡體系所不具備的特性，揭示了拓?fù)渑c動(dòng)力學(xué)之間復(fù)雜而深刻的內(nèi)在聯(lián)系，從而為在時(shí)間維度利用拓?fù)浔Ｗo(hù)對量子態(tài)進(jìn)行高精度、高魯棒性的超快操縱提供可能。然而，二維非平衡高階拓?fù)湎嗟膶?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)長期面臨兩大挑戰(zhàn)：一是如何在量子體系中精確設(shè)計(jì)高階非平衡拓?fù)涔茴D量；二是缺乏直接探測非平衡拓?fù)湫再|(zhì)的有效方法。

研究團(tuán)隊(duì)基于“祖沖之二號”超導(dǎo)量子處理器的可編程能力，首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了平衡與非平衡二階拓?fù)湎嗟牧孔幽M和探測。在理論上，研究團(tuán)隊(duì)提出了針對高階拓?fù)湎嗟撵o態(tài)與Floquet量子線路設(shè)計(jì)方案，解決了在二維超導(dǎo)量子比特陣列中構(gòu)建高階平衡與非平衡拓?fù)涔茴D量的關(guān)鍵難題，并開發(fā)了通用的動(dòng)力學(xué)拓?fù)錅y量框架。

在實(shí)驗(yàn)上，研究人員建立了系統(tǒng)化的處理器優(yōu)化方案，通過精密標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了量子比特頻率與耦合強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，在6×6量子比特陣列上，成功執(zhí)行了50個(gè)Floquet周期的演化操作，首次成功實(shí)現(xiàn)了4種不同類型的非平衡二階拓?fù)湎?，并系統(tǒng)探索了該拓?fù)湎嗟哪茏V、動(dòng)力學(xué)行為、拓?fù)洳蛔兞康忍卣鳌?/p>

該成果標(biāo)志著二維可編程量子模擬能力的顯著提升。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adp6802

（原標(biāo)題為《科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)量子體系高階非平衡拓?fù)湎唷罚?/p>

責(zé)任編輯：宦艷紅

圖片編輯：陳飛燕

澎湃新聞報(bào)料：021-962866

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